用于移动平台的低高度、低成本、高增益天线和系统 本发明的技术领域
本发明涉及供客运运载工具使用的通信系统和方法，更具体地说涉及配置在低阻力天线罩中的低高度、低成本、高增益的漏波天线系统和用来把信息直接提供给在移动平台(例如，飞机、船舶和汽车)上的乘客的系统。本发明的现有技术
为了安装在运载工具上而设计的用来接收卫星广播信号的各种天线的实施方案体已被研究和提交。由于这样的天线将被安装在行驶在汽车高度将在法律上受到限制的公路上的机动车辆的车顶或类似的东西上，或者安装在飞行器上，在后一种情况下高度也是与和这样的天线相关联的任何阻力有关的问题，它可能导致降低燃料效率，所以这样的天线的重要特性是使天线高度和天线安装面积减少到最低限度。另外，在要求天线在任何时候都接收卫星广播信号并因此要求天线始终指向当运载工具移动时随时间变化的卫星方向的场合，重要地有用来控制天线的方位角和仰角的跟踪机构。然而，该跟踪机构可能在天线的全部制造成本、复杂性和高度或天线安装面积中占相当大的比例。因此，重要的是使跟踪机构和天线的空间、复杂性和需求减少到最低限度。
例如，在美国专利第5,579,019号(在下文中称之为“019号专利”)中揭示了一种可以安装在汽车车顶上接收卫星广播电磁波的狭缝式开槽波导管阵列天线。具体地说，019号专利揭示了一种狭缝式开槽波导管阵列天线，它通过在仰角方向提供大约±5°的仰角波束宽度(这个宽度被揭示是足够宽的，以致不需要使用跟踪系统在仰角方向上移动天线)使得即使在汽车运动时也能直接接收广播卫星信号。因此，019号专利的跟踪机构和天线节约尺寸，其中天线只需要使方位角遍及360°旋转。019号专利的天线包括众多平行配置的波导管，其中每个波导管都有众多沿着波导管轴线配置并且具有用某种方法确定的不同的偏移、长度和交角值的狭缝。此外，该参考文献揭示了波导管天线阵列包括用来把电磁波分配给每个波导管的馈送波导管，该馈送波导管配置在与阵列天线相同的平面中，并且包括沿着每个波导管的末端延伸的第一部分和从天线的中心延伸到第一部分的中心而且垂直于第一部分的第二部分，以便借此形成T形连接的馈送波导管。馈送波导管允许天线围绕着天线的旋转中心在水平平面即方位平面中旋转，不需要把与天线输出端耦合的转换器置于任何旋转之下。019号专利宣称其优势在于转换器可以保持在固定的位置上，借此减少作用在转换器上的应力和延长转换器的寿命。
已经提出的各种狭缝式波导管天线的另一个问题是各种波导管天线的成本、制造的容易程度和重量。例如，传统的狭缝式波导管天线可以这样制造：以适合所需频率的适当的精度把金属板组合起来形成众多波导管，然后在横向的方向上以类似于阵列的方式把这些波导管彼此固定在一起。随后或连带着，取决于馈送波导管的位置，可以把馈送波导管固定到波导管阵列上。但是，这样的制造方法可能不适合大规模生产，因此这样的狭缝式波导管天线阵列不可能采用这样的方法廉价地提供。此外，这样的狭缝式波导管天线的实施方案可能需要增强才能避免波导管在波导管阵列内部的移动。进一步说，波导管的这种实施方案通常是用高比重(例如，对于铝比重大约为2.7)的金属材料制成的，所以生产的是重的狭缝式波导管天线阵列。因此，传统的狭缝式波导管天线阵列通常是笨重的，不适合于有效的和低成本的批量生产。
美国专利第4,916,458号专利揭示一种狭缝式波导管天线的实施方案，这种天线倾向于容易地、低成本地制造而且包括众多辐射波导管，每个波导管都至少有一个辐射狭缝。该天线也包括配置在每个波导管一端用来给众多辐射波导管和在馈送波导管和各个辐射波导管之间的众多的孔馈送信号的馈送波导管。众多的波导管和馈送波导管是通过把电介质板夹在传导层之间形成众多波导管和馈送波导管的宽壁在单一的平面中制成的。此外，镀金通孔(在每个镀金通孔之间有比在波导管中传播的信号的波长小的间隙)或者两侧被金属化且其间有类似的间隙的导电销钉被插在传导层之间而且被用来形成众多波导管的壁和馈送波导管的壁。另外，458号专利揭示众多波导管和馈送波导管的外边缘壁面可以通过用导电材料覆盖电介质材料形成外边缘壁面来提供。458号专利的狭缝式波导管天线被断言易于低成本地制造和生产。本发明的概述
按照本发明的一个实施方案，接收和/或发射电磁波信号的开槽波导管天线阵列包括彼此平行配置形成天线阵列的众多辐射波导管。馈送波导管把电磁波信号提供给众多辐射波导管和/或接收来自众多辐射波导管的众多电磁波信号并且在馈送波导管的输出端提供合成的电磁波信号。每个辐射波导管都有纵向的波导管轴线并且包括众多按波导管纵向轴线的方向排列的孔。馈送波导管包括有接在输入/输出口上的第一末端的波导管第一部分。波导管第一部分的高度具有本质上与每个辐射波导管的高度相同的高度，波导管的第一部分还具有与第一连接点耦合的第二末端。第一连接点从波导管的第一部分过渡到波导管的第二部分和波导管的第三部分，这两个部分都具有本质上为波导管的第一部分的高度的一半的高度。波导管的第二部分用向上的斜坡过渡到高度本质上等于波导管第一部分高度的一半。波导管的第三部分用向下的倾斜的斜坡过渡到高度本质上等于波导管第一部分高度的一半。因此，波导管的第三部分本质上是波导管的第二部分的镜象。馈送波导管还包括接在波导管的第一、第二和第三部分的垂直壁面上有助于从波导管的第一部分的高度过渡到波导管的第二部分和第三部分的高度的隔膜。波导管的第二部分和波导管的第三部分被分别耦合到馈送波导管相应的第一信号口和第二信号口上。第一信号口和第二信号口被分别耦合到众多辐射波导管中相应的一个波导管上。
采用这种安排，高度和长度都被减少的天线可以被构成并且被安装在诸如汽车之类的移动平台上，并且作为系统的一部分发射和/或接收实况电视节目信号、图象信号、交互服务信号、双向通信信号和其它数据信号。此外，这种开槽波导管天线阵列和馈送波导管可以由复合材料构成或模塑成形。采用这种安排，天线和馈送波导管可以更容易制造，与诸如由金属(例如，铝)装配而成的天线相比可以减轻重量，而且可以以比较低的成本提供。
按照本发明的另一个实施方案，开槽波导管天线和馈送波导管可以安装在天线定位装置上和配置在移动的运载工具上的低阻力天线罩之内。采用这种安排，天线可以在方位角和仰角两个方向上移动，以便在运载工具移动时保持天线指向提供视频广播信号的传送卫星。这个实施方案还可以拥有至少一对转向阵列，该转向阵列也安装在天线定位装置上配置在低阻力天线罩内部。
本发明的另一个实施方案是在运载工具内把信号提供给乘客的方法，其中运载工具处在信号的接收不充分的区域中。这种方法包括用处在信号可用的区域中的第一收发两用机接收信号，以及把第一收发两用机收到的信号发射给位于处在信号不充分区域中的运载工具上的第二收发两用机。该方法进一步包括用第二收发两用机接收信号和把第二收发两用机收到的信号发射给位于也处在信号不充分区域范围内的运载工具上的第三收发两用机的步骤。该方法还可以包括在穿越覆盖范围不充分的区域的运载工具之间传输信号以致每个运载工具都可以接收信号并且把它提交给每个运载工具内的乘客的步骤。
采用这种安排，可以把任何实况电视节目信号、诸如因特网之类的交互式服务信号、电话之类的双向通信信号和其它数据信号提供给运载工具内部的乘客，即使由于卫星覆盖范围不足、卫星覆盖范围不连续、缺乏地面通信设施或信号质量差等原因运载工具所在区域不能接收信号也仍然可以提供上述信号。这对于飞行器飞行路径(例如，在众多飞机被安排在穿越海洋的路径中而卫星覆盖范围在大海上方仍然是不可用的情况下的跨海飞行)或对于在覆盖范围不充分的情况下运载工具之间的地面通信是特别有利的。
本发明的方法的另一个实施方案是把来自信息源的信息提供给第一移动平台以便建立信息网络的方法。该方法包括发射包含来自信息源的信息的信号信息、用第一收发两用机单元接收该信息信号、用第一收发两用机单元把信息信号发射给第一移动平台以及用第一移动平台上的第二收发两用机单元接收信息信号的步骤。优选的是第一收发两用机单元在第二移动平台上。
本发明的方法的又一个实施方案包括把信息从第一移动平台提供给目的地。该方法包括用位于第一移动平台上的发射机的发射包含信息的信息信号、用第一收发两用机单元接收信息信号，用第一收发两用机单元发射信息信号和用目的地的接收机接收信息信号的步骤。优选的是第一收发两用机单元在第二移动平台上。
本发明的系统的另一个实施方案为和由第一移动平台提供信息以便在第一移动平台和信息源或目的地之间形成信息网络。该系统包括配置在第一移动平台上而且可以与乘客耦合把信息提供给乘客或接收来自乘客的信息的收发两用机单元、与该收发两用机单元耦合的天线和至少部分地包围着天线而且能透射提供给天线和来自天线的信息信号的天线罩。该系统还包括在第二移动平台上接收信息信号和发射信息信号以便在第一移动平台和信息源或目的地之间提供信息信号的附加的收发两用机单元。
本发明的其它目的和特性通过下面的详细说明同时结合下面的附图将变得明显。人们将会理解这些附图将仅仅用于图解说明的目的，不倾向于作为本发明的限制。附图简要说明
上述和其它目的和优势从下面的附图将得到更充分的领会，其中：
图1是安装在汽车车顶上的本发明的天线子系统的透视图；
图2是图1所示的天线子系统的天线的局部剖开的透视图；
图3是图2所示天线的侧视图；
图4是图2所示天线的俯视图；
图5是沿着图3的线5-5截取的天线的波导管馈源的实施方案的底部剖视图；
图6是沿着图5的线6-6截取的侧剖图；
图7是图2所示天线的波导管馈源的一半的平面图；
图8是图2所示波导管馈源的顶部第二半的平面图
图9是用于本发明的天线的波导管馈源组件的替代实施方案的底部平面剖视图；
图10是本发明的天线的挤出实施方案的末端剖视图；
图11A和11B是图解说明本发明的天线的束方向特性的曲线图，其中包括主天线波束和众多转向阵列天线波束；以及
图12是安装在飞行器机身上的本发明的天线子系统的透视图。本发明的详细说明
本发明的天线、系统和方法把诸如实况广播电视节目、双向通信信号、交互式服务信号(例如，因特网服务)和其它形式的数据和/或信息信号直接提供给移动平台(例如，飞机、船舶和汽车)。在一个优选的实施方案中，天线和系统将与为移动平台上的乘客提供实况广播电视节目的现有的数字式卫星广播卫星和技术一起使用。例如，在本发明的天线、系统和方法的一个优选的实施方案中，运载工具中的乘客能够选择和查看类似于在大多数家庭中通过电缆或卫星服务可利用的节目的正在播送的新闻频道、气象信息、体育比赛、网络节目、电影和任何其它可用的节目。本发明的天线、系统和方法的一个优选实施方案的一个优势是节目是正在播送的，不需要录像带的复制和分配，而且由于不需要录像带，所以全部装备可以位于客运运载工具的贮藏区域中，因此不占用乘客的空间。
在移动平台上单一的天线可以支持为移动平台中的乘客产生前面讨论过的任何信号。参照图1，天线子系统20的一个实施方案是低高度、低成本、高增益的漏波阵列天线28，该天线可以配置在低阻力天线罩中(未予以图解说明)，并且可以安装在(举例说)汽车车顶22上。该天线子系统可以包括诸如马达驱动的万向节系统之类的天线定位装置24，所以天线可以在方位角(φ)方向上移动360°并且可以在仰角(θ)方向上仰俯大约50°。低阻力天线罩优选将逐渐递减到运载工具并且允许天线定位装置和天线在方位角和仰角两个方向上运动。
在本发明的天线子系统的一个实施方案中，天线28的束方向性图可以在方位角方向具有大约4°到5°的波束宽度，它通过天线阵列在方位角方向上实际旋转360°可以在方位角平面中扫描。另外，天线的束方向性图在仰角平面中可以具有大约4°到8°的波束宽度，它通过天线阵列在大约50°的仰角扇区(例如在20°和70°之间的仰角范围)上的实际运动可以在仰角平面中扫描。在图1予以图解说明的本发明的实施方案中，优选的是本发明的天线子系统20跟踪传输卫星26相对于正在移动的运载工具的位置和方向的位置并且把天线波束指向传输卫星。
图2是本发明的天线28的一个实施方案的局部剖开的透视图；图3是图2所示天线的侧视图；图4是图2所示天线的俯视图。参照图2和图4，本发明的天线28可以包括本质上矩形的波导管31的阵列27，其中每个本质上矩形的波导管都可以包括一个或多个在本质上矩形的波导管的宽壁32(H-平面)上的孔30。人们将理解任何孔都可以被使用，它们将在所需的偏振(例如，圆偏振)条件下发射和/或接收电磁波能量。在优选的实施方案中，孔是在波导管的宽壁上的星号形状的孔要素，它们可以是这样形成的，例如，在波导管的宽壁上先形成第一种十字形的缝隙要素，然后从第一种十字形要素旋转45°形成第二种十字形缝隙要素。星号形状的要素的腿36略微降低要素对被发射和/或接收电磁波信号的振幅的敏感性。此外，以经验为主确定天线诸要素所需的构型以提供采用星号形天线要素的天线所需的振幅和轴向比是比较容易的。
本质上矩形的波导管31是这样取向的，以致波导管狭窄的壁面彼此平行地配置，包括孔30的宽壁面32(H-平面)形成天线要素的阵列。这些孔优选沿着本质上矩形的波导管的长度或轴线用工作频率的半波长隔开，并且优选相对于天线阵列的平面(水平的)或天线阵列的法线(垂直的)以45°仰角发射和/或接收电磁波能量。每个矩形波导管都在波导管馈源34旁边的一个末端33馈入信号并且在非-反射匹配负载(未予以图解说明)旁边的第二末端33终止。
现在参照图5，图解说明沿着用图3图解说明的天线28的线5-5截取的波导管馈源34的底部平面剖视图。如同前面讨论的那样，天线和波导管馈源可以被用于发射和/或接收电磁波能量。在优选的实施方案中，天线和波导管馈源被用于发射和/或接收用于数字视频广播节目的卫星广播信号。现在将描述用天线发射电磁波能量时天线的操作。电磁波能量经波导管馈源34被馈送给每个本质上矩形的波导管31(见图4)。具体地说，电磁波信号在输入/输出口37被提供给波导管馈源，然后该信号被波导管馈源按相位和振幅等分，以便在每个信号口38、40、42、44、46、48、50和52提供相位和振幅两者都相等的信号。如同下面将更详细地讨论的那样，在每个口38-52的电磁波信号优选借助图3图解说明的相应的E-平面弯曲39提供给每个本质上矩形的波导管31。电磁波信号在口37处的波导管馈源中被诱发，穿过波导管馈源传播，并且被馈送到每个本质上矩形的波导管中，而且优选处于电磁波信号的TE10主模中。电磁波信号的TE10主模沿着每个本质上矩形的波导管的长度或轴线传播，馈送到在每个本质上矩形的波导管的宽壁面32(H-平面)上的每个孔30，以便如同前面讨论的那样以所需的仰角θ辐射圆偏振的天线方向性图。
在天线打算接收诸如数字卫星广播信号之类的电磁波信号时，天线28和波导管馈源34的操作与前面讨论的发射电磁波信号的操作恰恰相反。具体地说，在每个本质上矩形的波导管31的宽壁面32上的每个孔30接收圆偏振的电磁波信号并且在每个本质上矩形的波导管内部诱发电磁波信号的TE10主模。电磁波信号的主模沿着本质上矩形的波导管的长度或轴线传播到本质上矩形的波导管的末端33并且借助各自的E-平面弯曲39与波导管馈源34相应的信号口38-52耦合。然后，电磁波信号在每个信号口38-52经波导管馈源被组合或加和，从而在波导管馈源的输入/输出口37提供组合或加和后的信号。
图6图解说明沿着用图5图解说明的馈源的线6-6截取的波导管馈源34的侧视剖面图。众多的E-平面弯曲39允许波导管馈源34被置于天线阵列之下，因此减少了天线28的总长度。如同熟悉这项技术的人已知的那样，这些E-平面弯曲把每个本质上矩形的波导管31耦合到波导管馈源相应的口38-52上并且包括弯曲半径可接受的曲线部分39。例如，参考文献(男子名Moreno的“微波转变设计数据(微波转换设计数据)”，McGraw-小山出版社，1948年)提供关于与波导管一起使用的E-平面弯曲的具体建议。每个E-平面弯曲都可以被相应的螺丝钉61固定到天线阵列27和波导管馈源34之间的间隔器59上。此外，每个E-平面弯曲都可以用端帽63密封。人们将理解虽然天线阵列和馈送波导管已经用有是描写和举例说明分成两个不同的平面予以描述和图解说明，具体地说，馈送波导管配置在天线阵列下面，但是馈送波导管和天线阵列可能在同一平面中；例如，波导管的天线阵列可以通过众多H-平面弯曲或波导管部分与馈送波导管相应的信号口耦合。
人们将理解虽然已经描述了用于单一的偏振信号的波导管天线和波导管馈源，但是在本发明的范围之内还精心设计了其它的实施方案。例如，众多辐射波导管中的每个波导管都可以有两行沿着波导管的轴线配置的众多平行的孔，其中一行孔可以在宽壁面的中心轴线的左边被用来发射和/或接收左侧的圆偏振信号，第二行孔可以在宽壁面的中心轴线的右侧可以被用来发射和/或接收右侧的圆偏振信号。就这个实施方案而言，每个左侧的圆偏振信号和右侧的圆偏振信号都可以在波导管的一个末端被馈送和/或可以提供信号，因此只需要使用一个波导管馈源来发射和/或接收左侧和右侧的圆地偏振信号。具体地说，切换装置(例如，钉二极管)可以被用来在左侧的圆偏振信号和右侧的圆偏振信号之间进行切换，以便在波导管的末端提供和/或接收信号。例如，切换装置可以配置在每个辐射波导管的末端，在那里它与波导管馈源耦合。
参照图5，波导管馈源包括波导管54的第一部分，该部分具有适合波导管在特定的波长或频率下按TE10模式操作的全部高度。换言之，波导管的第一部分的高度本质上与天线28的波导管31的高度相同。在第一连接点56，波导管54的第一部分被分成一对半-高度的波导管部分58、60。波导管的第二部分58是过渡到本质上为波导管的第一部分的高度的一半的高度。隔膜62是在第一连接点56处提供的，以有助于从全部高度波导管部分过渡到那对半-高度波导管部分。隔膜优选是本质上或无限地薄的(例如，在0.006英寸厚的数量级上)，是导电的，而且接触波导管部分54、58和60的狭窄壁面，以有助于调整从全部高度过渡到半高度。
以类似的方式，每个半高度的波导管部分58和60被分成第一对64、66和第二对68、70相应的半高度波导管部分。人们将理解波导管部分58、60；64、66和68、70彼此构成对方的镜象，换言之，每个波导管部分58、64、68都有斜面即向下横向配置的斜坡以便形成半高度波导管要素，而每个波导管部分60、66、70都有坡度即向上横向配置的斜坡以便形成本质上与波导管要素58、64、68长度相等的半高度波导管要素。此外，相应的隔膜71和73是在波导管的第二部分、波导管的第三部分和波导管部分64、66和68、70之间的第二连接点提供的，以有助于从一个半高度波导管要素过渡到两个半-高度波导管要素。每对波导管要素64、66和68、70彼此都是对方的镜象。人们将理解以类似的方式每个波导管部分64、66、68和70将从单一的半高度波导管部分过渡到与各自相应的信号口38、40、42、44、46、48、50和52耦合的一对相应的半高度波导管部分72、74；76、78；80、82和84、86。隔膜88帮助每个从单一的半高度波导管部分向两个半高度波导管部分的过渡。每对波导管要素72、74；76、78；80、82和84、86彼此都是对方的镜象。它是构成用图5予以图解说明的1对8要素的波导管馈源的全部高度波导管部分和数对形成镜象的半高度波导管部分与向上倾斜和向下倾斜的斜坡以及隔膜的组合。
参照作为波导管馈源34的实施方案的平面图的图7和图8，人们将理解波导管馈源34可以如同在图7和图8中图解说明的那样被制成彼此是对方的镜象的两块板91、93。另外，人们将理解由于每条从波导管馈源的输入/输出口37到信号口38-52的路径是同一的，而且因为每条路径都具有镜象方向，所以波导管馈源的操作是为了将在口38-52收到的来自天线28的电磁波信号相加之后在输入/输出口37提供加和的信号或者为了把在输入/输出口37提供的电磁波信号等分以便在口38-52处提供按振幅和相位两者等分的信号。
人们将理解虽然前面的讨论已被引向用图4-8予以图解说明的包括8个波导管和1对8的波导管馈源34的天线阵列，但是本发明的波导管馈源34和波导管天线28可以由2个、4个、8个、16个、32个、64个和128个等数目的波导管形成的天线阵列和相对应的1对2、1对4、1对8、1对16、1对32、1对64、1对128等的波导管馈源中的任何一对组合构成。例如，图9图解说明依照本发明的波导管馈源90的替代实施方案的示意图。波导管馈源90是1对32要素的波导管馈源，该波导管可以以类似于前面讨论过的1对8的波导管馈源34的方式操作，为的是将在口92、94、96、98、100、102、104、106、108、110、112、114、116、118、120、122、124、126、128、130、132、134、136、138、140、142、144、146、148、150、152和154收到的来自天线阵列的32个相应的波导管的信号相加之后在输入/输出口156提供加和的信号，或者把在输入/输出口156提供的电磁波信号等分之后在每个信号口92-154提供振幅和相位相等的信号。波导管馈源90可以有众多隔膜158、160、162、164、166、168、170、172、174、176、178、180、182、184和185以有助于发生在过渡点161、163的相应的从全部高度波导管向两个半高度波导管的过渡或者有助于在隔膜162-185处从单一的半高度波导管过渡到两个半高度波导管。人们将理解每个波导管部分将是一对波导管部分当中邻近的波导管部分的镜象，其中如果一个波导管部分在高度上有坡度，那么邻近的波导管要素将在高度上有下倾，以便提供半高度波导管。
人们将理解依照本发明的天线28可以被用在任何数目的移动平台上而且为了成功地接收数字卫星广播的视频信号应该有高增益、小尺寸和良好的交叉极化抑制作用。此外，人们将理解就飞行器和许多其它的移动平台而言，天线应该降低高度和减少长度，以使天线提供的任何阻力减少到最小以及维持移动平台的美学理念。众所周知在移动的运载工具(例如飞行器和包括汽车在内的快速移动的地面运载工具)上的天线和天线罩的任何残留阻力都将增加操作移动的运载工具的燃料成本。在运载工具的寿命范围内，与天线罩和天线的阻力相关联的增补的燃料成本可能等于或超过天线系统的成本。具有适当的曲线外表面(拱形)的低高度天线罩可以大幅度地减少由天线罩上面的空气流动引起的寄生阻力。这就是现代汽车或移动平台被频繁地设计并且在风洞中进行测试以减少运载工具的寄生阻力的原因。
(1)因此，寄生阻力对于在移动的运载工具上使用的天线系统是首要的。因此，需要廉价的低高度(和低阻力)的天线系统。此外，天线罩的费用取决于：例如，为了维持高质量信号对诸如圆偏振信号之类的信号的透射率的要求(例如折射、吸收和反射)以及天线罩的选材和天线罩材料的总体积。因此，低高度天线和天线罩还将减少与天线罩相关联的体积和材料成本，并因此减少天线罩的费用。此外，如同熟悉这项技术的人已知的那样，水平尺寸长的天线在方位角方向具有狭窄波束宽度，这将由于必须移动天线以保持卫星在天线的波束宽度范围内而使连续地跟踪传输卫星26(见图1)变得复杂。如同熟悉这项技术的人已知的那样，理论上天线最大的增益是由天线阵列在卫星方向上投影的视差面积决定的而且可以用式(1)描述：
G＝4πA/λ2
(2)其中G是天线的增益，A是天线的视差面积，而λ是天线工作频率的波长。大约34dB的典型增益对于美国大陆接收直播卫星的视频信号是需要的。这个增益导致在工作频率范围的中波段(在美国和南美洲通常是12.2到12.7 GHz，在欧洲是11.7到12.2GHz)天线的有效面积大约为288平方英寸。本发明的一个实施方案是在方位平面中宽度大约为24英寸的32个波导管要素的阵列；因此该阵列将具有大约12英寸的长度。阵列顶部在移动平台表面上方的高度是由阵列长度和天线将有所指的最低的仰角θ(例如，20°)确定的。就束方向性图垂直于阵列平面的阵列而言，高度是由式(2)确定的：
H＝L莴苣(θ)
(3)其中H是天线的高度，L是天线的长度，θ等于仰角。因此，就上述的天线阵列而言，高度是大约11.3英寸。然而，如同前面讨论的那样，依照天线的优选实施方案，想要得到的是使天线的束方向性图在仰角方向上偏离阵列的垂直面。为了维持同样的天线有效面积，天线阵列的长度增加l/cos(偏斜角)；但是在运载工具上方的总高度按关系式(3)减少：
H＝L莴苣(θ+补偿角)/莴苣(补偿角)
因此，就本发明的偏斜角为45°、最小的仰角为20°的32个波导管要素的天线的优选实施方案而言，12英寸的阵列长度将增加到17英寸，而天线的高度将从大约11.3英寸减少到大约7.2英寸。因此，依照本发明的优选实施方案，主波束的峰值偏离阵列的垂直面，以使阵列的高度在天线阵列偏离水平面以小仰角操作时最小。一个优势是这也减少必不可少的天线罩尺寸和由于天线和天线罩的空气阻力造成的任何阻力。
如同前面讨论过的那样，例如通过减少天线在仰角方向上扫描的需要来减少天线的跟踪机构的复杂性和高度可能是符合要求的。这可以这样完成，例如，通过提供本发明的波导管馈源，在该波导管馈源内部有众多移相器配置在(举例说)有单波导管向双波导管过渡的每个连接点上。众多移相器可以被用来借助电子学方法操纵束方向性图使仰角在50°范围内从大约20°变化到70°。例如，这些移相器可以是熟悉这项技术的人已知的安装在波导管上的电动的、机电的、甚至机械的移相器。也可以用来用仰角搜索天线的替代实施方案可能将形成众多辐射波导管的窄波导管壁面(E-平面的壁面)，以致它们是可动态地变化的，因此在窄壁面之间的间隔可以变化，从而改变天线束方向性图的仰角。例如，在渴望用仰角搜索天线的时候，诸如马达之类的机构可以被用来使可动态地变化的波导管壁面在垂直方向上增加或减少以便搜索天线波束和仰角。为了改变波导管壁面之间的间隔，波导管壁面可以动态地变化的一些例子是任何连续的、缩成皱纹的、锯齿状的或折叠起来的壁面，例如，钻石形的波导管壁面，它在波导管壁面中提供垂直的挠度。垂直的挠度可以允许侧壁在时而压缩时而放开的过程中被移动，从而改变窄壁面之间的间隔以便用仰角搜索天线。人们将理解，就波导管壁面和波导管壁面之间的间隔可以变化的任何实施方案而言，窄壁面仍然必须为波导管的窄壁面和宽壁面之间的接触创造条件。这些接触可以这样完成，例如用任何可以被用来使用到排列波导管的一个部分与波导管的另一个部分上相应的通孔对齐以致允许这些部分在维持所需的电接触的同时彼此相对运动的铆钉、小孔或其它扣件装置。
本发明的天线子系统的另一个实施方案可以包括两个阵列，例如，两个32-波导管要素的阵列，每个阵列有各自的偏离角(例如，35°和65°。这个实施方案的优势是每个波导管阵列仅仅需要在(例如)30°仰角范围内被实际地或电动地操纵，尤其是具有35°偏离角的阵列将是在20°到50°的仰角中被扫描或移动，而具有65°偏离角的阵列将在50°到80°的仰角中被扫描或移动。这个实施方案的优势是由于每个阵列仅仅需要在30°的仰角范围内被操纵，所以天线和跟踪系统的总高度可以减少。
除了高度低和长度短之外，本发明的天线制造成本低、重量轻、制造简单以及能够在极端的温度、密度、高度、冲击、振动和潮湿的环境中(这些环境条件对于许多移动的运载工具是共同的)工作也是符合要求的。这些目的中的每个目的依照本发明借助用先进的复合材料制作的天线结构都可以实现。例如，用图10中的横截面予以图解说明的本发明的一个实施方案101包括基底复合材料的铸造结构103，该铸造结构被镀上金属镀层105以便提供波导管107的天线阵列109和波导管馈源111。在天线的优选实施方案中，天线是模塑成形的，没有波导管的末端，因此在波导管阵列的每个本质上矩形的波导管的每个宽壁面范围内的每个孔(未予以图解说明)是作为形成波导管阵列和波导管馈源结构的注塑成形过程的一部分形成的。这个过程的优势是它减少了模具制造成本而且适宜模塑。但是，人们应该理解其它的模塑过程(例如，片状模塑混合物的挤压模塑)也可以被用来廉价地生产合而为一的或多零件的天线阵列。每种生产阵列的模塑工具和过程都是已知的并且都可以被用来形成达到所需的净尺寸的天线阵列和波导管馈源。
一旦基底材料被模塑成天线阵列和波导管馈源的一体化的或分段的部件，天线阵列和波导管馈源就可以用已知的镀金属形式(例如，化学镀或电镀过程)镀金属。此外，人们应该理解在某些情况下附加的基底材料的应用可以被用来改善金属涂层对基底材料的粘接。人们会应该理解有时可以采用化学镀和电镀相结合。电镀被用来在波导管和波导管馈源的内部和外部(如果需要的话)形成导电的壳层。
在依照本发明的天线101的一个实施方案中，预先形成的金属狭缝可以被插入基底材料，在每个波导管107的每个宽壁面范围内形成孔(未予以图解说明)，从而减少模塑工具和电镀过程的复杂性和精度要求。此外，人们将会理解在使用这样的插件时给基底材料上提供插入插件的狭缝的通孔镀金属可能并非是必不可少的。一种插入插件的方法可能是使用超声插入，该方法不仅快速经济地将金属插件紧固，而且以卓越的牵出扭矩滞留提供高度的机械可靠性。超声插入的另一个优势是它与其它的插入方法相比将导致比较低的残留压力，因为它保证均匀的熔融和最小的热收缩。把预先成形的金属狭缝插入模塑的基底材料的另一个优势是它导致减少的处理成本，尤其是模塑部件的周期时间虑及注塑机操作员完成的次要的操作时更是如此。
人们应该理解基底材料的选择对于天线阵列和波导管馈源的设计和构造、基底材料的镀层和提供插件(如果有的话)是至关重要的，因为每种基底材料、镀层和插件都可能有不同的热膨胀系数，因此在天线和波导管馈源结构内部引起应力。类似的应力还可能包括由于天线的操作环境(例如，冲击、振动以及湿度)造成的那些应力。这些因素全都影响基底材料和导电涂层的确定。例如，在飞行器上，密度极低、强度高、尺寸稳定且吸水性低的材料是符合要求的。在优选的实施方案中，天线阵列和波导管馈源是用ULTEM？模塑成形的，ULTEM？是聚醚酰亚胺并且是GE的注册商标。但是，人们应该理解其它候选材料包括纤维复合材料或增强树脂以及聚酯树脂。每种材料都具有在1.5到2.0范围内的比重。这些基底材料的比重力与(举例说)比重大约为2.7的铝比较，显然可以显著地节省天线和波导管馈源的重量。此外，聚醚酰亚胺和聚酯可以用已知的方法(例如，前面讨论过的那些)组装起来。此外，人们应该理解构成天线和波导管馈源的注塑构件的组装可以用卡扣、粘合剂粘接、溶剂粘接、模塑螺纹、插件、超声焊接和其它方法中的任何一种方法予以完成。再者，由于这些基底材料的卓越的物理性质，可以提供重量轻量强度高的阵列天线和波导管馈源。因此，在用这样的基底材料模塑成形时，本发明的天线和波导管馈源101的优势在于它具有结构强度和刚性以及对环境因素的耐受性。此外，每个本质上矩形的波导管的内部可以被有效地密封，而且先天地适合在需要时引入气体增压，以便(例如)防止潮气渗透。
本发明的天线还可以配备能够与天线阵列一起置于天线罩之下帮助天线阵列的束方向性图定位的众多转向。转向阵列将与天线阵列一起按方位和仰角移动，以致转向阵列和天线阵列之间的物理关系保持恒定。图11A和11B图解说明在天线阵列和转向阵列的天线束方向性图的方位和仰角方面的变化曲线。如同用图11予以图解说明的那样，每个转向阵列都具有相应的偏离天线阵列的束方向性图171的天线束方向性图173、175、177、179。具体地说，转向阵列的束方向性图可以位于：例如，在天线阵列的束方向性图171的左侧(按方位)173和右侧(按方位)175，天线阵列的束方向性图的上方(按仰角)177和下面(按仰角)179。转向阵列收到的信号可以配对进行处理，例如，左右配对和上下配对，以有助于按方位和仰角跟踪天线阵列。例如，可以使转向阵列方向性图173、175、177、179在天线阵列的束方向性图171的中心交叉，以致幅度相等的信号将在天线阵列的束方向性图的中心被各自的转向阵列接收。因此，如果相对于左侧的转向阵列从右侧的转向阵列收到的是大振幅信号，那么天线阵列可以向左移动，直到两个转向阵列收到的信号幅度相等为止。同样，天线可以根据上下配对的转向阵列收到的信号移动。从转向阵列输出端输出的信号的处理是以幅度为基础的，因此排除了在处理模块之间跟踪相位的需要和允许用单一的信道处理链操作。
图12图解说明在飞行器181上本发明的天线子系统20的可能的位置。天线位于飞行器的外部，例如，在机身的顶部，以便在合理的飞行器方向之下清楚地无障碍地在卫星26的方向上眺望。本发明的系统可以包括可能位于飞行器的货舱区域之中的卫星接收器183。此外，该系统可以包括座位背后的显示器187、配套的头带耳机和为每个乘客提供信息选择能力到选择面板。作为替代，信息也可以是分布式的，通过周期性地放置在飞行器的乘客区域的众多屏幕供全体乘客一起观看。此外，该系统还可能包括系统控制/显示站186，它可能位于商业飞机上乘务员使用的舱室中控制整个系统，所以除了修护和修理之外不需要人直接与装备的交互作用。
如同前面讨论的那样，天线28、转向阵列和波导管馈源34可以被用来构成卫星跟踪天线子系统20，它可以被用作在移动的运载工具(例如，图12所示的飞行器)上的卫星接收系统的前端。这种卫星接收系统可以用来为飞行器内的许多乘客提供实况广播节目，例如，新闻、天气、体育运动、网络节目、电影等等。具体地说，天线将按方位和在仰角跟踪运载工具的运动以保持聚焦在传输卫星26上天线束方向性图，将接收来自发射卫星的实况广播信号，以及将实况广播信号提交给把所需的节目如同每个乘客选定的那样分配给每个乘客的接收器系统183。
把像任何实况视频广播节目信号那样的信号、象电话信号那样的通信信号、像因特网服务那样的交互式服务或其它数据信号提供给在像飞行器那样的运载工具上的乘客的一个问题是诸如卫星或地面通信站之类的通信网络并非总处在便于把信息信号提供给移动运载工具的位置，至少在其一部分行程中如此。依照本发明，提供用来把信息信号提供给在不在现有的通信网络覆盖范围内的区域中、在连续的覆盖范围不可利用的区域中、在信号质量差的区域中、甚至在确实存在通讯信道的区域中移动的运载工具的方法和系统。人们应该理解依照这份说明书没有连续的覆盖范围的区域被定义为信号不能被连续地接收的区域，例如，在大西洋上，在这种情况下如果一个卫星位于大西洋上空，那么它发射的信号就大西洋的某些部分而言强度可能降低，但就大西洋的其它部分而言将提供适当的信号。
本发明的一个实施方案是用于跨海飞行，在这种场合本发明的系统和方法是可以使用的。第一收发两用机可以位于在地面上与即将开始或刚刚开始横越海洋飞行的飞行器通信的发射塔上，或者位于在海岸线上空或附近飞行时仍然处在卫星覆盖区域范围内或通信网络覆盖区域范围内的飞行器本身上。如同航空界人士已知的那样，诸如横越大西洋飞行之类的飞行发生在几乎相同高度上，其中众多飞行器按一组被称为“航线”的平行路径飞越大西洋，从而形成被隔开的(例如，间隔两分钟)的一个接一个飞行器的队列。在本发明的给移动平台提供信号的方法中下一个步骤是把第一收发两用机收到的信号转发给第二收发两用机，该收发两用机位于(举例说)打算与之通信的飞行器上或正在横越海洋飞行的另一个飞行器上。该方法的补充步骤可能是用第二收发两用机接收被转发的信号以及把收到的信号从第二收发两用机转发给位于另一个飞行器(例如，在装有第二收发两用机的飞行器前面的那个飞行器)上的第三收发两用机。这个步骤可以沿着飞行器横越整个大海的轨迹重复以便把信息信号提供给任何飞行器。信息可以是任何可以在横越海洋的众多飞行器内提供给每个乘客的实况视频广播节目、双向通信信号、交互式服务或其它通信数据信号内部。
虽然这个例子所提供的与横越海洋飞行的飞行器有关，但是人们应该理解这种方法可以应用于在世界上任何地方飞行的飞行器，包括在飞行路径不在传输卫星的覆盖区域范围内的地方、地面对空中的通信信号不利可用的地方、连续的卫星或通信信号覆盖范围不可利用的地方、信号接收质量差的地方、甚至在现有的通信信道存在的地方。人们还应该理解虽然这个例子已经用每个接收和转发信号的飞行器予以图解说明，但是这种方法可以被用在只有一些飞行器正在接收和转发信号的场合。此外，人们还应该理解虽然这种方法所描述的与飞行器有关，但是它可以被任何运载工具(例如，众多陆地运载工具)使用。
在本发明的另一个实施方案中，这种方法和系统被用来在众多移动的运载工具(例如，汽车、卡车、有篷货车、公共汽车等等)之间建立地面通信网络。采用本发明的方法和系统，信息信号可以在形成现有的通信网络的移动平台之间被接收和发射，以减轻信号覆盖范围的不足、劣质信号覆盖范围、或增加现有的通信网络可能需要的功率传输。因此，本发明的方法和系统的优势是它可以减轻(例如)在现有的通信网络中的信号丢失，例如，就现有的蜂窝式个人通信服务网络而言在蜂窝覆盖范围中人们可能经历的信号丢失。此外，本发明的方法和系统即使在现有的通信网络已经存在的地方也可以提供替代的通信网络。
采用本发明的方法和系统，每个移动的运载工具都可以在局部半径范围内接收信息信号并且把该信息信号转发给位于(例如)在第一收发两用机单元的局部半径范围内移动的另一个运载工具上的另一个收发两用机单元。本发明的方法和系统可以这样建立，以致它对于在移动的运载工具内的操作员或乘客是看不见的。例如，每个移动的运载工具都可以装备收发两用机单元，即使操作员或乘客不选择在运载工具内使用这种服务或具有能解释信息信号的系统。因此，每个移动的运载工具都能接收和转发信息信号，以便形成只要区域内有足够数量的移动的运载工具就将存在的通信网络。
人们应该理解本发明的系统和方法不限于位于移动的运载工具上的到收发两用机单元。例如，用本发明的系统和方法创造的总网络可以包括位于移动的运载工具上的收发两用机单元和诸如现有的蜂窝式PCS基站、现有的中继站、现有的电缆天线、现有的卫星或数字广播天线、现有的UHF/VHF天线之类的固定的收发两用机单元两者。本发明的这种包括固定的收发两用机单元和位于移动平台上的收发两用机单元两者的方法和系统的优势是这种组合可以在简单地用固定的收发两用机单元或位于移动平台上的收发两用机单元将不提供适当的通信网络的场合提供通信网络。
因此，本发明的系统和方法的实施方案的另一个例子是在众多移动的运载工具上提供收发两用机单元。移动的运载工具可以是汽车、卡车、公共汽车、有篷货车等等。此外，在运载工具内的乘客或操作员未必需要被接到由信息信号提供的服务或网络上。虽然如此，每个运载工具都可以配备可以与位于其它移动平台上的收发两用机单元或固定的收发两用机单元通信的收发两用机单元。
人们将理解本发明的方法和系统可以用来把来自信息源的信息提供给移动平台，再从移动平台提供给目的地。另外，该方法和系统可以在没有现有的传达网络可用的区域中使用，或者在通信网络可用的区域中使用。另外，人们还应该理解至少一个收发两用机单元可以在固定平台上，或者至少一个收发两用机单元可以在移动平台上。在优选的实施方案中，每个收发两用机单元的接收和发射步骤将用位于移动平台上的收发两用机单元和用沿着行进路线把信息信号发射给另一个移动平台形成通信网络的每个移动平台来完成。人们将进一步理解该系统可以包括按确定的方向把信息信号发射给另一个收发两用机单元的定向天线或在所有的方向上等同地发射以便在某个确定的距离内与其它的收发两用机单元通信的全向天线。此外，人们还应该理解信息信号可以由卫星或卫星网络提供。还应该进一步理解信息本身可以包括任何视频广播节目信号、关于移动平台本身的维护信息、关于移动平台的位置信息、对移动平台范围内的乘客生死攸关的信息，与因特网相关的数据、远程通信数据等等。
至此已经描述了本发明的几个优选实施方案，对于熟悉这项技术的人，各种替代实施方案、修改实施方案和改进实施方案将容易发生。这样的替代实施方案、修改实施方案和改进实施方案倾向于作为这份公开的一部分，并且倾向于在本发明的精神和范围之内。因此，前面的描述仅仅作为例子并且仅仅受权利要求书及其等价文件的限制。